Objetivos

Diseñar circuitos de disparo de tiristores usando circuitos integrados

UJT y PUT.

Usando los circuitos diseñados disparar un tiristor que activa una

carga.

FUNDAMENTO TEÓRICO

1. TIRISTOR 

El tiristor es un componente electrónico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación. Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. Son dispositivos unidireccionales porque solamente transmiten la corriente en un único sentido. Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica.

El dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo PNPN entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores típicos PNP y NPN, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Se crean así 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está conectado a la unión J2 (unión NP).

Fig.1 Simbología del tiristor

El dispositivo cumple varias misiones que podemos clasificar un poco arbitrariamente como sigue:

- Rectificación: Consiste en usar la propiedad de funcionamiento unidireccional del dispositivo, el cual realiza entonces la misma función de un diodo.

- Interrupción de corriente: Usado como interruptor, el tiristor puede reemplazar a los contactores mecánicos.

- Regulación: La posibilidad de ajustar el momento preciso del encendido permite emplear el tiristor para gobernar la potencia o la corriente media de salida.

- Amplificación: Puesto que la corriente de mando puede ser muy débil en comparación con la corriente principal, se produce un fenómeno de amplificación en corriente o en potencia. En ciertas aplicaciones esta "ganancia" puede ser de utilidad.

a) Tipos de tiristores 

Los tiristores se fabrican casi exclusivamente por difusión. La corriente del ánodo requiere de un tiempo finito para propagarse por toda el área de la unión, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la señal de la compuerta para activar el tiristor. Para controlar el di/dt, el tiempo de activación y el tiempo de desactivación, los fabricantes utilizan varias estructuras de compuerta.

Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación y desactivación, en general los tiristores pueden clasificarse en ocho categorías:

1. Tiristores de control de fase o de conmutación rápida (SCR). 

2. Tiristores de desactivación por compuerta (GTO). 

3. Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC).  

4. Tiristores de conducción inversa (RTC).  

5. Tiristores de inducción estática (SITH). 

6. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR). 

7. Tiristores controlados por FET (FET-CTH).  

8. Tiristores controlados por MOS (MCT).

Fig2 Simbolos de tiristores comunes

b) CURVA CARACTERÍSTICA

La interpretación directa de la curva característica del tiristor nos dice lo siguiente: cuando la tensión entre ánodo y cátodo es cero la intensidad de ánodo también lo es. Hasta que no se alcance la tensión de bloqueo (VBO) el tiristor no se dispara.Cuando se alcanza dicha tensión, se percibe un aumento de la intensidad en el ánodo (IA), disminuye la tensión entre ánodo y cátodo, comportándose así como un diodo polarizado directamente.

Si se quiere disparar el tiristor antes de llegar a la tensión de bloqueo será necesario aumentar la intensidad de puerta (IG1, IG2, IG3, IG4...), ya que de esta forma se modifica la tensión de cebado de este.

Este seria el funcionamiento del tiristor cuando se polariza directamente, esto solo ocurre en el primer cuadrante de la curva.

Cuando se polariza inversamente se observa una débil corriente inversa (de fuga) hasta que alcanza el punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del mismo.

Fig.3 Curva Característica

En amplificación se utiliza en las etapas de potencia en clase D cuando trabaja en conmutación. También se utilizan como relés estáticos, rectificadores controlados, inversores y onduladores, interruptores

2. TRANSISTOR MONOUNION(UJT)

El transistor monounión es un tipo de transistor que contiene dos zonas

semiconductoras. Tiene tres terminales denominados emisor ( ), base uno ( ) y base

dos ( ). Está formado por una barra semiconductora tipo N, entre los

terminales  , en la que se difunde una región tipo P+, el emisor, en algún punto a lo largo de la barra, lo que determina el valor del parámetro η, standoff ratio, conocido como razón de resistencias o factor intrínseco.

(a) (b)

Fig.4 (a) Estructura del UJT (b) Circuito equivalente del UJT

Consiste en una placa de material ligeramente dopado de silicio tipo-n. Los dos contactos

de base se unen a los extremos de esta superficie tipo n. Estos se indican como   y   respectivamente. Un material de tipo p se utiliza para formar una juntura p-n en el límite de la varilla de aluminio y la placa de silicio tipo n. El tercer terminal llamado emisor ( ) se hace a partir de este material tipo-p. El tipo n está ligeramente contaminado, mientras que el de tipo p está fuertemente contaminado. Como el tipo n está ligeramente dopado, ofrece una alta resistencia mientras que el material tipo p, ofrece baja resistividad puesto que está fuertemente contaminado.

3.1.Características

Fijándose en la curva característica del UJT se puede notar que cuando el voltaje   

sobrepasa un valor   de ruptura, el UJT presenta un fenómeno de modulación de resistencia que, al aumentar la corriente que pasa por el dispositivo, la resistencia de esta baja y por ello, también baja el voltaje en el dispositivo, esta región se llama región de resistencia negativa. Este es un proceso con realimentación positiva, por lo que esta región no es estable, lo que lo hace excelente para conmutar, para circuitos de disparo de tiristores y en osciladores de relajación.

Fig. 5 Característica estática

3.1.Operación

El UJT se polariza normalmente según se ve en su curva de polarización. La base   se

lleva a una tensión positiva (5V≤VBB≤30V). Por la resistencia   circula entonces

una corriente

:

El cátodo del diodo emisor se encuentra a una tensión:

El diodo puede presentar una polarización inversa si   es inferior a   por lo que se

presentará una corriente de fuga   muy pequeña. Por otro lado si   es superior ,

el diodo queda polarizado directamente y por ende circula una corriente   formada por

portadores minoritarios que son depositados en  . Esta se anula disminuyendo su valor;

por esto la tensión   disminuye también, ahora si bien si  es constante,   debe

aumentar, lo que disminuye aún más a  .

3.1.CIRCUITO DE DISPARO CON UJT

El transistor monounión (UJT) se utiliza generalmente para generar señales de disparo en

los SCR. En la fig.1 se muestra un circuito básico de disparo UJT. Un UJT tiene tres

terminales, conocidas como emisor E, base1 B1 y base2 B2. Entre B1 y B2 la monounión

tiene las características de una resistencia ordinaria (la resistencia entre bases RBB

teniendo valores en el rango de 4.7 y 9.1 K). Cuando se aplica el voltaje de alimentación

Vs en cd, se carga el capacitor C a través de la resistencia R, dado que el circuito emisor

del UJT está en estado abierto. La constante de tiempo del circuito de carga es T1=RC.

Cuando el voltaje del emisor VE, el mismo que el voltaje del capacitor llega a un valor pico

Vp, se activa el UJT y el capacitor se descarga a través de RB1 a una velocidad

determinada por la constante de tiempo T2=RB1C. T2 es mucho menor que T1. Cuando el

voltaje del emisor VE se reduce al punto del valle Vv, el emisor deja de conducir, se

desactiva el UJT y se repite el ciclo de carga.

El voltaje de disparo VB1 debe diseñarse lo suficientemente grande como para activar el

SCR. El periodo de oscilación, T, es totalmente independiente del voltaje de alimentación

Vs y está dado por:

T = 1/f = RC ln 1/1-n

Fig. 6 Circuito de disparo con UJT

3. TRANSISTOR PUT

El PUT es un semiconductor de cuatro capas (pnpn) cuyo funcionamiento es similar al del UJT. Es un tipo detiristor y a veces se le llama “tiristor disparado por ánodo” debido a su configuración. Al igual que el UJT, se utiliza como oscilador y base de tiempos, pero es más flexible, ya que la compuerta se conecta a un divisor de tensión que permita variar la frecuencia del oscilador sin modificar la constante de tiempo RC.

Fig. 6 Símbolo del PUT

3.1.Funcionamiento

Si el PUT está polarizado directamente y aplicamos Vag= 0.7 V, entra en conducción. El PUT permanece encendido hasta que el voltaje anódico es insuficiente, entonces, se apaga. El apagado se debe a que la corriente anódica llega un valor ligeramente menor a la corriente de sostenimiento.

Fig. 7 Circuito de conexion del PUT

Es un dispositivo de disparo ánodo-puerta (ánodo-compuerta) puesto que su disparo se realiza cuando la puerta tenga una tensión más negativa que el ánodo, es decir, la conducción del PUT se realiza por control de las tensiones en sus terminales. Si el PUT es utilizado como oscilador de relajación, el voltaje de compuerta VG se mantiene desde la

alimentación mediante el divisor resistivo del voltaje RB1 y RB2, y determina el voltaje de disparo Vp. En el caso del UJT, Vp está fijado por el voltaje de alimentación, pero en un PUT puede variar al modificar el valor del divisor resistivo RB1 y RB2. Si el voltaje del ánodo Va es menor que el voltaje de compuerta Vg, se conservará en su estado inactivo, pero si el voltaje de ánodo excede al de compuerta más el voltaje de diodo Vag, se alcanzará el punto de disparo y el dispositivo se activará. La corriente de pico Ip y la corriente de valle Iv dependen de la impedancia equivalente en la compuerta y del voltaje de alimentación en VBB. En general Rk está limitado a un valor por debajo de 100 ohm.

Rk= RB1.RB2/(RB1+RB2)

Para tener un diseño exitoso, la corriente de ánodo, que la llamaremos I, debe estar entre las corrientes Ip e Iv, de no estarlo, el dispositivo no oscilará. Por ello, se debe tener cuidado al diseñar la impedancia equivalente Rg y el voltaje de alimentación, ya que estos parámetros modifican directamente los valores de corriente ya mencionados.

3.2. Aplicaciones

El uso del PUT se encuentra casi limitado a su utilización en osciladores de relajación para disparo de tiristores de potencia en aplicaciones de control de fase. Su alta sensibilidad, les permite trabajar con elevados valores de resistencia de temporización o pequeños valores de capacitancia, en aplicaciones de baja corriente, tales como temporizaciones muy largas o en circuitos alimentadas con baterías. Adicionalmente, por su conmutación debido a un proceso de realimentación positiva de elementos activos, presentan menores tiempos deconmutación que los UJT donde este proceso se debe a un cambio en la conductividad de la barra de silicio por inyección de portadores. En consecuencia menores valores de capacitancia producen pulsos de disparos de la potencia adecuada.

Fig. 8 Capsula del PUT 2N6027

3.3. Diseño

Para el diseño de un oscilador de relajación con PUT, se debe realizar los siguientes pasos:

1. Al igual que en los UJT, la resistencia de temporización R debe ser lo suficientemente baja para que pueda alcanzar a circular Ip y lo suficientemente alta para que no pueda circular la Iv en forma permanente. Para el caso de los PUT

2. Debe tenerse en cuenta que los valores de Ip e Iv dependen del valor de Rg. El valor de Vp en los PUT es fijado por el circuito exterior, por ejemplo mediante un divisor resistivo como el mostrado. La ecuación básica del PUT es:

Vp=Vt+Vs

Siendo Vs la tensión de Thevenin vista desde la compuerta y Vt una tensión de offset compuesta por la caída directa de la juntura ánodo compuerta Vag más la caída producida en Rg por la corriente Ip justo antes del disparo.

2. Como Vt = Vag + Ip*Rg , un cambio en Rg afecta a ambos términos en forma opuesta. Si Rg aumenta, Ip disminuye y hace decrecer a Vag, pero como Ip no se reduce tan rápido como Rg se incrementa, el producto Ip*Rg aumenta, aumentando el valor de Vt. Como estas variaciones son difíciles de estimar, es de uso generalizado tomar para la mayoría de las aplicaciones.

Vt = 6v

3. El periodo de un oscilador a relajación basado en PUT resulta:

Vct=Vp=Vt+Vs

Por lo que resulta un periodo

T= R*C*Ln((VBB-Vv) /(VBB-Vt-Vs))

Donde Vcc es el voltaje de alimentación del circuito. Despreciando Vv y Vt, se reduce a una expresión equivalente a la ya obtenida para los UJT.

T=R*C*Ln(1+RB1/RB2)

5. Al igual que con los UJT, la amplitud del pulso de salida depende de la velocidad de conmutación, especialmente para capacidades inferiores a 0.01 uF.

6.Valores típicos de frecuencias de oscilaciones se encuentran comprendidas entre los 0.003 Hz y 2.5 KHz.

7. El PUT operando como oscilador de relajación presenta una baja dependencia de su frecuencia con la temperatura debido a que su tensión de compuerta se encuentra fijada exteriormente. Para aplicaciones críticas deben implementarse circuitos de compensación.